芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展

趙浩

1 概述

芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料是以合成樹(shù)脂為基體，以芳綸為增強(qiáng)材料經(jīng)復(fù)合而制成的一種新型工程材料。芳綸具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、耐沖擊、耐腐蝕、阻燃等優(yōu)異性能，是理想的有機(jī)纖維增強(qiáng)材料。芳綸主要分為3類：對(duì)位芳綸、間位芳綸和芳綸Ⅲ。對(duì)位芳綸是對(duì)位芳香族聚酰胺纖維的簡(jiǎn)稱，即聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺（PPTA）纖維，國(guó)內(nèi)稱其為芳綸1414；間位芳綸為聚間苯二甲酰間苯二胺（PMIA）纖維的簡(jiǎn)稱，國(guó)內(nèi)稱其為芳綸1313；芳綸Ⅲ，也稱雜環(huán)芳綸，指雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維。芳綸由美國(guó)杜邦公司率先研制開(kāi)發(fā)成功，并將對(duì)位芳綸商品命名為Kevlar，間位芳綸的商品名命名為Nomex。芳綸纖維的形態(tài)有：無(wú)捻粗紗及有捻紗、織物、帶、氈及短切原絲等。芳綸紙大多以芳綸短切纖維和芳綸沉析纖維（簡(jiǎn)稱“芳綸漿粕”）按一定比例制成[1]。芳綸紙蜂窩芯材是由芳綸紙經(jīng)過(guò)涂膠條、疊合、蜂窩疊塊的壓制固化、切割、拉伸與浸膠等一系列復(fù)雜工藝制作而成[2]。芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料一般是由上、下薄面板（蒙皮）與中間芳綸紙蜂窩芯膠粘后構(gòu)成。芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料常用的基體樹(shù)脂有酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、聚乙烯等。

采用玻璃鋼的制備工藝（如纏繞、手糊、真空袋壓、熱壓罐、模壓及RTM等）可將芳綸與樹(shù)脂基體復(fù)合為構(gòu)件。芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料（AFRP）具有低密度、耐沖擊、高比強(qiáng)度、高比模量、電絕緣以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、電子、防護(hù)、交通、體育器材等領(lǐng)域中。

目前國(guó)內(nèi)外用于防護(hù)領(lǐng)域的芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料已產(chǎn)業(yè)化，其主要生產(chǎn)企業(yè)有：美國(guó)杜邦公司、日本帝人株式會(huì)社、山東非金屬材料研究所、河北普凡新材料有限公司、中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司等；用于其他領(lǐng)域的芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料，美國(guó)、日本、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)實(shí)用化水平，而我國(guó)仍處于技術(shù)開(kāi)發(fā)階段，國(guó)內(nèi)外從事其研制生產(chǎn)的主要企業(yè)有：美國(guó)杜邦公司、北京衛(wèi)星制造廠、中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院、中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司、平高集團(tuán)有限公司等。天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、蘇州大學(xué)、大連理工大學(xué)、海南大學(xué)等多家高校對(duì)芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究工作，并發(fā)表了數(shù)篇研究論文。

2 應(yīng)用

2.1 電子領(lǐng)域

現(xiàn)在雷達(dá)罩選材多趨向于纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料和夾層材料[3]。譬如美國(guó)塞斯納飛機(jī)公司與加拿大飛機(jī)制造公司，所制造的雷達(dá)罩都是用的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基符合材料。溫磊等[4]以環(huán)氧/芳綸布預(yù)浸料為原料，采用熱壓罐成型工藝，成功制備出了雙頻段天線罩。張醒等[5]采用高強(qiáng)玻璃纖維面板—芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制備了全透波衛(wèi)星整流罩，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了全向平均90%的透波率并質(zhì)量減輕超20%。南博華等[6]成功地研制出了馮·卡門(mén)外形紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)CZ-6運(yùn)載火箭整流罩。中國(guó)專利CN106450742A公開(kāi)了一種采用PE材料和芳綸混紡結(jié)構(gòu)的天線罩制造方法。該發(fā)明把多層混紡布逐層膠粘制作于天線罩模具上并采用真空負(fù)壓成型得到天線罩[7]。日本帝人株式會(huì)社將芳綸增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂制成電子工業(yè)表面安裝技術(shù)（SMT）用的印刷線路板，其線膨脹系數(shù)約為（6～7）×10-6/℃，此類導(dǎo)電常數(shù)為3.5適合用作高速傳輸線路上，性能穩(wěn)定性很好。

2.2 航空航天

芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料已成功地應(yīng)用于波音B757、B767飛機(jī)的殼體、起落架艙門(mén)、貨艙、內(nèi)部裝飾件及座椅等，減重30%。芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料在S-76商用直升飛機(jī)外表面的使用量達(dá)50%。國(guó)產(chǎn)的直-9飛機(jī)上有280多個(gè)芳綸NOMEX 蜂窩組成的夾層結(jié)構(gòu)部件，單機(jī)NOMEX蜂窩的使用量高達(dá)260m2，占整個(gè)飛機(jī)覆蓋面積的80%左右[9]。烏云其其格等[10]將3233環(huán)氧樹(shù)脂/044B雜環(huán)芳綸布復(fù)合材料成功應(yīng)用于直升機(jī)次承力夾層結(jié)構(gòu)件。

在航天領(lǐng)域，芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料可用于制作固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。美國(guó)的MX陸基機(jī)動(dòng)洲際導(dǎo)彈的3級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、法國(guó)的M4導(dǎo)彈的402K發(fā)動(dòng)機(jī)以及西歐的“MAGE-Ⅰ”等洲際導(dǎo)彈均采用了芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料作殼體。芳綸Ⅲ樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用于我國(guó)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，較芳綸1414樹(shù)脂基復(fù)合材料能大幅度提高容器特性系數(shù)[8]（容器特性系數(shù)=PV/W，其中P是爆破壓強(qiáng)，V是殼體容積，W是殼體質(zhì)量）。

2.3 防護(hù)防彈

2.3.1 防彈頭盔

芳綸頭盔是以芳綸布及樹(shù)脂為原料，經(jīng)熱壓成型的復(fù)合材料。目前芳綸Ⅲ防彈頭盔已經(jīng)研發(fā)成功，較相同防彈性能的芳綸II防彈頭盔減重20%～30%。該防彈頭盔具有很高的V50值（即在規(guī)定彈速范圍內(nèi)，對(duì)受試樣品形成穿透概率為50%的極限速度V50>650m/s），彈坑平均凹陷深度淺。

2.3.2 防彈裝甲

芳綸防彈裝甲滿足裝甲輕量化的需求，能廣泛應(yīng)用于武裝直升機(jī)、武裝運(yùn)輸機(jī)、裝甲車、防彈車、艦艇等兵器。美國(guó)陸軍采用芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料制造的防彈襯層，能夠有效的阻擋住穿甲彈、破甲彈以及殺傷彈的沖擊侵徹，能夠起到有效的裝甲防護(hù)作用，曾裝備在M—ll3 A3 兩棲作戰(zhàn)人員裝甲輸送車內(nèi)部[11]。美國(guó)“宙斯盾”防御體系的DDG“伯克”級(jí)驅(qū)逐艦使用了近70t 芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料用于裝甲防護(hù)。法國(guó)航母“戴高樂(lè)”號(hào)的關(guān)鍵部位、丹麥的SF300 多功能艦艇也敷設(shè)了芳綸樹(shù)脂基復(fù)合裝甲材料。郭泓等[12]以芳綸織物及改性酚醛樹(shù)脂為原料，采用熱壓罐工藝成功地制備出了芳綸復(fù)合裝甲靶板。

2.3.3 方艙

方艙是一種具有一定的剛度、強(qiáng)度，為人和物提供合適空間，便于運(yùn)輸?shù)莫?dú)立艙室[13]。目前芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料已成功地應(yīng)用于防彈防爆方艙上。

美軍采用以9層0.23Kg/m2 Kevlar 49纖維和環(huán)氧樹(shù)脂為原料，采用層壓工藝制備了芳綸/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，并用鋁蜂窩材料和芳綸/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料成功地制作了S-280電子設(shè)備方艙艙體[14]。

2.4 電力

2.4.1 橫擔(dān)

芳論樹(shù)脂基復(fù)合材料橫擔(dān)可應(yīng)用于受力桿塔上，在滿足其力學(xué)性能要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕和利于開(kāi)展帶電作業(yè)。通過(guò)安裝芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料橫擔(dān)，可提高配電線路上的絕緣水平，減少配電線路常態(tài)性故障。

2.4.2 絕緣拉桿

在GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備中，絕緣拉桿被廣泛應(yīng)用著，其中以SF6氣體為絕緣介質(zhì)，電壓等級(jí)在110 kV及以上的GIS大多數(shù)采用芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料絕緣拉桿。陳燕梅等選用芳綸Kevlar49為增強(qiáng)材料，以芳綸/聚酯編織布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料為主，內(nèi)層防腐層則采用增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂膠層，氈在聚酯的表面，以現(xiàn)有的樹(shù)脂傳遞模塑工藝進(jìn)行加工處理，能夠獲得具有良好熱性能、電性能、力學(xué)性能的優(yōu)異絕緣拉桿。

2.5 交通工具

芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料在高速列車的電機(jī)、變壓器、列車車體等部件上獲得了廣泛應(yīng)用。將碳纖維面板、鋁板以及玻璃纖維面板等等貼合到芳綸蜂窩的表面層，從而制作出芳綸蜂窩夾層材料。這種材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在了磁懸浮列車領(lǐng)域，如美國(guó)的bart地鐵，德國(guó)的thyseen以及意大利的etr-500。

芳綸酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料被用來(lái)做汽車制動(dòng)摩擦的部件，譬如汽車剎車制動(dòng)片與離合器襯墊等，而芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料則可以替代鋼板，可以用作汽車桌椅骨架以及汽車底板非承重部位，能夠減輕3%左右的質(zhì)量。

采用芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料造船，其船身質(zhì)量與玻璃鋼、碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的相比均較輕，可相應(yīng)增加航程。由于其具有吸收振動(dòng)及受連續(xù)沖擊的能力，船航行平穩(wěn)和安全。將芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料用于造船，國(guó)內(nèi)早有實(shí)踐。

2.6 體育器材

芳綸/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有較好的沖擊韌性，可吸收較大的沖擊能量，耐疲勞性高于碳纖維、玻璃纖維，可用作高速?zèng)_擊性運(yùn)動(dòng)（如摩托車、高山滑雪類）的防護(hù)護(hù)具。

采用芳綸—碳纖維混雜纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料制作的滑雪板，質(zhì)量輕、剛性大、耐摩擦、吸能減震效果好、使用壽命長(zhǎng)，在有角度滑行和越野滑雪比賽中不僅速度穩(wěn)定，還省力、防滑。

3 問(wèn)題

3.1 性能尚需提高

芳綸纖維與樹(shù)脂的潤(rùn)濕性及粘結(jié)性較差，導(dǎo)致芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度不高，限制其得到更廣泛的應(yīng)用，故研究基體對(duì)此復(fù)合材料性能的影響，開(kāi)發(fā)制備適于芳綸纖維的基體樹(shù)脂，進(jìn)行改善芳綸表面活性的研究，攻克相關(guān)工藝技術(shù)難題，以提高芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料綜合性能，擴(kuò)大其工程應(yīng)用范圍。

3.2 加工技術(shù)尚需突破

芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料為典型的難加工材料，加工后常出現(xiàn)抽絲和拉毛缺陷，嚴(yán)重影響了材料加工后的形狀規(guī)則和尺寸精度，制約了該復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。為了滿足其后續(xù)精確配合及連接的需要，拓展其應(yīng)用，有必要對(duì)其加工工藝進(jìn)行研究攻關(guān)，突破高效高精加工的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、高絕緣、耐腐蝕、耐疲勞、抗沖擊、阻燃、透波性良好等特點(diǎn)被廣泛用作結(jié)構(gòu)功能材料，應(yīng)用前景廣闊。研究表明，芳綸纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料較熱固性玻璃鋼的性能好，其耐沖擊性比后者大25%～70%，質(zhì)量約輕30%。芳綸Ⅲ樹(shù)脂基復(fù)合材料具有超高強(qiáng)度、超高模量、抗沖擊等優(yōu)異特性，應(yīng)用潛力巨大。

隨著芳綸樹(shù)脂基復(fù)合材料工程化關(guān)鍵技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，其使用范圍及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)@得更大的拓展。

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